Войти
Электронная ионизация Электронная ионизация (EI, ранее известная как ионизация электронным ударом и ионизация с бомбардировкой электронами ) представляет собой метод ионизации, в котором энергичные электроны взаимодействуют с атомами или молекулами твердой или газовой фазы с образованием ионов. EI был одним из первых методов ионизации, разработанных для масс-спектрометрии. Однако этот метод до сих пор остается популярным методом ионизации. Этот метод считается жестким (с высокой степенью фрагментации) методом ионизации, так как он использует высокоэнергетические электроны для образования ионов. Это приводит к обширной фрагментации, что может быть полезно для определения структуры неизвестных соединений. EI является наиболее полезным для органических соединений с молекулярной массой ниже 600. Кроме того, несколько других термически стабильных и летучих соединений в твердом, жидком и газообразном состояниях могут быть обнаружены с помощью этого метода в сочетании с различными методами разделения.
Артур Дж. Демпстер Электронная ионизация была впервые описана в 1918 году канадско-американским физиком Артуром Дж. Демпстером в статье «Новый метод положительного лучевого анализа». Это был первый современный масс-спектрометр, в котором для определения отношения массы к заряду различных компонентов использовались положительные лучи. В этом методе в качестве источника ионов использовался пучок электронов, направленный на твердую поверхность. Анод был выполнен цилиндрической формы из металла, который должен был быть исследован. Впоследствии его нагревали концентрической катушкой, а затем бомбардировали электронами. Используя этот метод, можно было определить два изотопа из лития и три изотопа магния с их атомными массами и относительными пропорциями. С тех пор этот метод использовался с дальнейшими модификациями и усовершенствованиями. Использование сфокусированного моноэнергетического пучка электронов для ионизации атомов и молекул газовой фазы было разработано Бликни в 1929 году.
Электронная ионизация метанола - потенциал Борна Оппенгеймера Кривые В этом процессе электрон из молекулы аналита (M) выталкивается во время процесса столкновения, чтобы преобразовать молекулу в положительный ион с нечетным числом электронов. Следующая реакция в газовой фазе описывает процесс электронной ионизации
где M - ионизируемая молекула аналита, e - электрон, а M - образующийся молекулярный ион.
В источнике ионов EI электроны производятся посредством термоэлектронной эмиссии путем нагрева проволочной нити, имеющей электрический ток Кинетическая энергия бомбардирующих электронов должна иметь более высокую энергию, чем энергия ионизации молекулы образца. Электроны ускоряются до 70 эВ в области между нитью накала и вход в блок источника ионов. Исследуемый образец, содержащий нейтральные молекулы, вводится в источник ионов в перпендикулярная ориентация к электронному пучку. Близкое прохождение высокоэнергетических электронов при низком давлении (примерно от 10 до 10 торр) вызывает большие флуктуации электрического поля вокруг нейтральных молекул и вызывает ионизацию и фрагментацию. Фрагментацию при электронной ионизации можно описать с помощью потенциальных кривых Борна Оппенгеймера, как показано на диаграмме. Красная стрелка показывает энергию электронного удара, которой достаточно, чтобы удалить электрон из анализируемого вещества и образовать молекулярный ион в результате недиссоциативного воздействия. Из-за более высокой энергии, передаваемой электронами на 70 эВ, кроме молекулярного иона, несколько других реакций диссоциации связи можно рассматривать как диссоциативные результаты, показанные синей стрелкой на диаграмме. Эти ионы известны как ионы-продукты второго поколения. Затем продукты с катион-радикалами направляются в масс-анализатор с помощью отталкивающего электрода. Процесс ионизации часто следует за предсказуемыми реакциями расщепления, которые приводят к образованию ионов-фрагментов, которые после обнаружения и обработки сигнала передают структурную информацию об аналите.
Увеличение процесса электронной ионизации осуществляется за счет увеличения эффективности ионизации. Для достижения более высокой эффективности ионизации должны быть оптимизированы ток накала, ток эмиссии и ионизирующий ток. Ток, подаваемый на нить накала, чтобы нагреть ее до лампы накаливания, называется током накала. Ток эмиссии - это ток, измеряемый между нитью накала и входной щелью для электронов. Ионизирующий ток - это скорость поступления электронов в ловушку. Это прямая мера количества электронов в камере, доступных для ионизации.
Ионный ток образца (I) является мерой скорости ионизации. Это может быть улучшено путем изменения эффективности извлечения ионов (β), общего ионизирующего сечения (Q i), эффективной длины пути ионизации (L), концентрации молекул образца ([N]) и ионизирующий ток (I e). Уравнение можно представить следующим образом:
![{\ displaystyle I ^ {+} = \ beta Q_ {i} L [{\ ce {N}} ] I_ {e}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/7b26c11b367d00217e435cc09f9d8e01b0aed4f4)
Эффективность извлечения ионов (β) может быть оптимизирована путем увеличения напряжения как отражателя, так и ускорения. Поскольку сечение ионизации зависит от химической природы образца и энергии ионизирующих электронов, используется стандартное значение 70 эВ. При низких энергиях (около 20 эВ) взаимодействия между электронами и молекулами аналита не передают достаточно энергии, чтобы вызвать ионизацию. При примерно 70 эВ длина волны де Бройля электронов соответствует длине типичных связей в органических молекулах (около 0,14 нм ), и передача энергии молекулам органического аналита максимальна, что приводит к максимально сильная ионизация и фрагментация. В этих условиях ионизируется примерно 1 из 1000 молекул аналита в источнике. При более высоких энергиях длина волны де Бройля электронов становится меньше длины связи в типичных аналитах; тогда молекулы становятся «прозрачными» для электронов, и эффективность ионизации снижается. Эффективная длина ионизационного пути (L) может быть увеличена за счет использования слабого магнитного поля. Но наиболее практичным способом увеличения тока пробы является использование ионного источника при более высоком ионизирующем токе (I e).
Схема приборов для электронной ионизации Схематическая диаграмма приборов, которые могут использоваться для электронной ионизации: показан справа. Блок источника ионов изготовлен из металла. В качестве источника электронов используется катод, который может быть тонкой нитью из вольфрама или рения <221.>провод, вставляется через щель в блок источника. Затем он нагревается до температуры накаливания для испускания электронов. Между катодом и блоком источника прикладывается потенциал 70 В, чтобы ускорить их до 70 эВ кинетическая энергия для образования положительных ионов. Потенциал анода (ловушки электронов) немного положительный, и он расположен снаружи ионизационной камеры, прямо напротив катода. Неиспользуемые электроны собираются Это электронная ловушка. Образец вводится через отверстие для образца. Чтобы ускорить процесс ионизации, слабое магнитное поле прикладывается параллельно направлению движения электронов. Из-за этого электроны движутся по узкой спиральной траектории, что увеличивает их длину. Генерируемые положительные ионы ускоряются электродом-отражателем в ускоряющую область через щель в блоке источника. Подавая потенциал на источник ионов и поддерживая выходную щель на уровне потенциала земли, ионы попадают в масс-анализатор с фиксированной кинетической энергией. Чтобы избежать конденсации образца, блок источника нагревают примерно до 300 ° C.
С начала 20 века электронная ионизация была одним из самых популярных методов ионизации, поскольку большое количество приложений. Эти приложения можно разбить на категории в зависимости от используемого метода вставки образца. Для газообразных и легколетучих жидких образцов используется вакуумный коллектор, для твердых и менее летучих жидкостей используется прямой вводимый зонд, а для сложных смесей используется газовая хроматография или жидкостная хроматография.
В этом методе образец сначала помещается в подогреваемый резервуар для образца в вакуумном коллекторе. Затем он попадает в ионизационную камеру через точечное отверстие. Этот метод полезен с легколетучими образцами, которые могут быть несовместимы с другими методами ввода образца.
В этом методе зонд изготавливается из длинного металлического канала, который оканчивается углублением для капилляра образца. Зонд вставляется в блок источника через вакуумный затвор. Проба вводится в лунку с помощью стеклянного капилляра. Затем зонд быстро нагревают до желаемой температуры, чтобы испарить образец. С помощью этого зонда образец можно расположить очень близко к области ионизации.
Для идентификации использовалась масс-спектрометрия с электронной ионизацией с прямой вставкой (EI-MS с прямой вставкой) археологических клеев, таких как смолы, смолы и воски, найденные во время раскопок на археологических раскопках. Эти образцы обычно исследуются с помощью газовой хроматографии – МС с экстракцией, очисткой и дериватизацией образцов. Из-за того, что эти образцы были депонированы в доисторические периоды, они часто сохраняются в небольших количествах. При использовании археологических образцов EI – MS, полученных методом прямой вставки, были обнаружены древние органические остатки, такие как смолы сосны и фисташки, берестяная смола, пчелиный воск и растительные масла вдали от периоды бронзового и железного века были проанализированы напрямую. Преимущество этого метода состоит в том, что необходимое количество образца меньше, а подготовка образца сводится к минимуму.
И МС с прямой вставкой, и МС с газовой хроматографией использовались и сравнивались при исследовании характеристик органического материала. присутствующие в виде покрытий в римских и египетских амфорах, можно рассматривать как пример археологических смолистых материалов. Это исследование показывает, что процедура прямого введения кажется быстрым, простым и уникальным инструментом, который подходит для скрининга органических археологических материалов, которые могут выявить информацию об основных составляющих в образце. Этот метод предоставляет информацию о степени окисления и классе присутствующих материалов. Недостатком этого метода является то, что менее распространенные компоненты образца не могут быть идентифицированы.
Другим применением EI-MS с прямым введением является характеристика новых синтетических кластеров углерода, выделенных в твердой фазе. Эти кристаллические материалы состоят из C60 и C70 в соотношении 37: 1. В одном исследовании было показано, что синтетическая молекула C 60 чрезвычайно стабильна и сохраняет свой ароматический характер.
Газ хроматография (ГХ) - это наиболее широко используемый метод EI-MS для введения образца. ГХ может использоваться для разделения смесей термически стабильных и летучих газов, которые идеально соответствуют условиям электронной ионизации.
ГХ-ЭИ-МС использовался для изучения и характеристики органического материала, присутствующего в покрытиях на римских и египетских амфорах. На основе этого анализа ученые обнаружили, что материал, используемый для водонепроницаемости амфор, представлял собой особый тип смолы, который не был выращен на месте археологических раскопок, но импортирован из другого региона. Одним из недостатков этого метода было долгое время анализа и необходимость предварительной химической обработки.
ГХ-ЭУ-МС успешно использовался для определения остатков пестицидов в свежих питание путем однократного инъекционного анализа. В этом анализе в овощах был идентифицирован 81 остаток мультикласса пестицида. Для этого исследования пестициды были экстрагированы дихлорметаном и дополнительно проанализированы с использованием газовой хроматографии - тандемной масс-спектрометрии (ГХ – МС – МС). Оптимальный метод ионизации можно определить как ЭУ или химическая ионизация (ХИ) для этой однократной инъекции экстракта. Этот метод является быстрым, простым и экономичным, поскольку большое количество пестицидов может быть определено с помощью ГХ за одну инъекцию, что значительно сокращает общее время анализа.
GC-EI-MS может использоваться для анализа биологических жидкостей в нескольких приложениях. Одним из примеров является определение тринадцати синтетических молекул пиретроидов инсектицидов и их стереоизомеров в цельной крови. В этом исследовании использовался новый метод быстрой и чувствительной электронно-ионизационной газовой хроматографии-масс-спектрометрии в режиме селективного ионного мониторинга (SIM) с однократным вводом образца. Все остатки пиретроидов были разделены с помощью ГХ-МС, работающего в режиме электронной ионизации, и количественно определены в режиме селективного ионного мониторинга. Обнаружение специфических остатков в крови - сложная задача из-за их очень низкой концентрации, так как как только они попадают в организм, большая часть химических веществ может выводиться из организма. Однако этот метод обнаруживал остатки различных пиретроидов до уровня 0,05–2 нг / мл. Обнаружение этого инсектицида в крови очень важно, поскольку его сверхмалого количества в организме достаточно, чтобы нанести вред здоровью человека, особенно детей. Этот метод является очень простым и быстрым, поэтому его можно использовать без каких-либо матричных помех. Режим селективного ионного мониторинга обеспечивает чувствительность обнаружения до 0,05 нг / мл. Другое применение - исследования белкового обмена с использованием GC-EI-MS. При этом измеряются очень низкие уровни d-фенилаланина, что может указывать на обогащение аминокислотой, включенной в тканевый белок во время исследований синтеза белка человека. Этот метод очень эффективен, поскольку как свободный, так и связанный с белком d-фенилаланин можно измерить с помощью одного масс-спектрометра, и требуется лишь небольшое количество белка (около 1 мг).
GC-EI-MS также используется в судебной медицине. Одним из примеров является анализ пяти местных анестетиков в крови с использованием свободного пространства твердофазной микроэкстракции (HS-SPME) и газовой хроматографии, масс-спектрометрии и ионизации электронным ударом. мониторинг выбранных ионов (GC – MS – EI-SIM). Широко используется местная анестезия, но иногда эти препараты могут стать причиной травм. В таких случаях требуется точный, простой и быстрый метод анализа местных анестетиков. В одном случае использовали GC-EI-MS со временем анализа 65 минут и размером образца примерно 0,2 г, что является относительно небольшим количеством. Еще одно применение в судебной практике - определение наркотиков для изнасилования на свидании (DRD) в моче. Эти наркотики используются для вывода из строя жертв, а затем их изнасилования или грабежа. Анализ этих препаратов затруднен из-за низких концентраций в жидкостях организма и часто большой временной задержки между событием и клиническим обследованием. Однако использование GC-EI-MS позволяет получить простой, чувствительный и надежный метод идентификации, обнаружения и количественного определения 128 соединений DRD в моче.
Два недавних подходы для сочетания капиллярной жидкостной хроматографии и электронной ионизационной масс-спектрометрии (LC-EI-MS) могут быть включены для анализа различных образцов. Это интерфейс ЖХ / МС на основе ЭУ с капиллярной шкалой и интерфейс прямого ЭУ. В капиллярном ЭУ небулайзер оптимизирован для линейности и чувствительности. Интерфейс прямого ЭУ представляет собой миниатюрный интерфейс для нано- и микро- ВЭЖХ, в котором процесс взаимодействия происходит в модифицированном соответствующим образом источнике ионов. Более высокая чувствительность , линейность и воспроизводимость могут быть получены, поскольку элюирование из колонки полностью переносится в источник ионов. Используя эти два интерфейса, электронная ионизация может быть успешно применена для анализа молекул малых и средних размеров с различной полярностью. Наиболее распространенными применениями этих интерфейсов в ЖХ-МС являются экологические приложения, такие как градиентное разделение пестицидов, карбарила, пропанила и хлорпрофама с использованием обращенно-фазовой и фармацевтических приложений, таких как разделение четырех противовоспалительных препаратов, дифенилдрамина, амитриптилина, напроксен, и ибупрофен.
Другой метод категоризации приложений электронной ионизации основан на методе разделения, который используется в масс-спектроскопии. В соответствии с этой категорией большую часть временных приложений можно найти в время пролета (TOF) или ортогональной TOF-масс-спектрометрии (OA-TOF MS), ионный циклотронный резонанс с преобразованием Фурье (FT -ICR MS) и квадрупольная или ионная ловушка масс-спектрометрия.
Времяпролетная масс-спектроскопия с электронной ионизацией (EI-TOF MS) хорошо подходит для аналитических и фундаментальных исследований химической физики. EI-TOF MS используется для определения потенциалов ионизации молекул и радикалов, а также энергий диссоциации связей для ионов и нейтральных молекул. Еще одно применение этого метода - изучение химии и физики отрицательных ионов. время жизни автоотщепления, метастабильная диссоциация, реакции ридберговского переноса электрона и отрыв поля, SF6 метод поглотителя для обнаружения временных состояний отрицательных ионов и многие другие другие были обнаружены с помощью этой техники. В этом методе область свободной ионизации обеспечивает высокую точность определения энергии электронов, а также высокое разрешение по энергии электронов. Измерение электрических полей в пролетной трубке иона определяет автоотрыв и метастабильный распад, а также отрыв полем слабосвязанных отрицательных ионов.
Первое описание TOF MS с ортогональным ускорением электронной ионизации (EI oa-TOFMS) было в 1989 г. За счет использования «ортогонального ускорения» с источником ионов ЭУ разрешающая способность и чувствительность были увеличены. Одно из ключевых преимуществ oa-TOFMS с источниками ЭУ заключается в использовании с системами ввода газовой хроматографии (ГХ), что позволяет проводить хроматографическое разделение летучих органических соединений с высокой скоростью.
FT-ICR EI-MS может использоваться для анализа трех фракций вакуумного газойля (VGO) дистилляции при 295-319 ° C, 319-456 ° С и 456-543 ° С. В этом методе ЭУ при 10 эВ позволяет мягкую ионизацию ароматических соединений в диапазоне вакуумного газойля. Вариации состава на молекулярном уровне определялись из определения элементного состава. Сверхвысокая разрешающая способность, малый размер образца, высокая воспроизводимость и точность определения массы (<0.4ppm) are the special features in this method. The major product was aromatic hydrocarbons in all three samples. In addition, many сера -, азот - и кислород -содержащие соединения непосредственно наблюдались, когда Концентрация этого гетероатомного соединения увеличивалась с точкой кипения. Используя анализ данных, он дал информацию о типах соединений (кольца плюс двойные связи ), их распределении числа атомов углерода для углеводородных и гетероатомных соединений во фракциях перегонки, увеличение средней молекулярной массы (или распределения числа атомов углерода) и ароматичности с повышением температуры кипения фракций нефти.
EI MS с ионной ловушкой можно использовать для идентификации и количественного определения остатков нонилфенолполиэтоксилата (NPEO) и продуктов их разложения, таких как нонилфенолполиэтоксикарбоксилаты и карбоксиалкилфенолэтоксикарбоксилаты, в пробах речной воды и сточных вод. В ходе этого исследования они обнаружили, что ГХ-МС с ионной ловушкой - это надежный и удобный аналитический подход с множеством методов ионизации, включая ЭУ, для определения целевых соединений в пробах окружающей среды.
Использование ЭУ в качестве метода ионизации в масс-спектрометрии имеет несколько преимуществ и недостатков. Они перечислены ниже.
| Преимущества | Недостатки |
|---|---|
| Простая | Молекула должна быть летучей |
| Чувствительная | молекула должна быть термически стабильной |
| Фрагментация помогает идентифицировать молекулы | Обширная фрагментация - данные не интерпретируются |
| Спектры отпечатков пальцев с возможностью поиска в библиотеке | Низкий полезный диапазон масс (<1000 Da) |
